Фейнман - 05. Электричесво и магнетизм (1055667), страница 34
Текст из файла (страница 34)
Воздух находится в устойчивом механическом равновесии. Но, с другой стороны, если мы возьмем воздушную ячейку, содержащую много водяных паров, то кривая ее адиабатнческого охлаждения будет совсем другой. При расширении и охлаждении этой ячейки водяной пар начнет конденснроваться, а при конденсации выделяется тепло. Поэтому влажный воздух остывает не так сильно, как сухой.
Значит, когда воздух, влажность которого выше средней, начнет подниматься, его температура будет следовать кривой с на фиг. 9.8. Слегка охлаждаясь при подъеме, он все же окажется теплее окружающего его на этой высоте воздуха. Если имеется область теплого влажного воздуха н он почему-то начинает подниматься, то он все время будет оставаться легче н теплее окружающего воздуха и по- прежнему будет всплывать, пока не достигнет огромных высот. Вот тот механизм, который заставляет воздух в грозовой ячейке подниматься.
В теченпе многих лет именно так объясняли грозовую ячейку. А затем измерения показали, что температура облака на различных уровнях над Землей не так высока, как это следует из крнвоп с. Причина в том, что, когда «пузырь» влажного воздуха всплывает, он уносит с собой воздух нз окружающей среды и охлаждается нм.
Кривая «температура — высота» похожа больше на кривую г1, которая гораздо ближе к первоначальной кривой а, нежели к с. После того как описанная конвекция началась, поперечный разрез грозовой ячейки выглядит уя»е так, как показано ца фиг. 9.9. Это так называемая «зрелая» гроза. В ней действует очень сильная тяга вверх, достигающая на этой стадии высот в 10 — 15 км, а иногда и выше. Грозовой купол с происходящей в нем конденсацией громоздится надо всей облачной грядой с быстротой, достигающей обычно 60 км!час.
По мере того как водяной пар поднимается и конденсируется, возникают крохотные капельки, которые быстро охлаждаются до температуры ниже нуля. Они должны замерзнуть, но делают это не сразу — они «переохлаждаются». Вода, да и другие жидкости обычно легко охлаждаются ниже своей точки замерзания, не кристаллизуясь, если только вокруг нет «ядер», которые необходимы, чтобы началась кристаллизация. Только если имеются мелкие крошки вещества, наподобие кристалликов ХаС(, капельки воды превратятся в льдинки. Тогда равновесие будет приводить к испарению капель и росту кристаллов льда. Итак, в какой-то момент начинается внезапное исчезновение воды и быстрое образование льда.
Кроме того, могут происходить прямые соударенкя водяных капелек и льдинок — столкновения, в которых переохла;кденная вода, прикоснувшись к кристаллику льда, мпговенно сама кристаллизуется. Стало быть, в какой-то момент развития облака в нем происходит быстрое накопление крупных частиц льда. И когда опи станут достаточно тяжелыми, они начнут падать сквозь восходящий воздух, ибо они стали слишком грузными, чтооы тяга могла нх нссти. Падая, они увлекут за собой немного воздуха. Начинается противоток воздуха — внлз.
И легко понять, что, как это кн странно, раз уж противоток начался, то прекратиться он не сможет. Воздух теперь полным ходом помчится вниз! Посмотрите; кривая и' на фнг. 9.8 (нстинное распределение температур по высоте облака) не так крута, как кривая с (относящаяся к влажному воздуху). Значит, когда начнет падать влажный воздух, его температура будет повышаться по кривой, соответствующей кривизне линии с, т. е. при достаточно сильном падении окажется ниже температуры окружающего воздуха (как это видно из кривой е). И в момент, когда это случится, ок ока.кется плотнее окру»какццего воздуха, падение станет неотвратимым.
Но вы скажете: «Уж не вечное ли это движение? Сперва говорилось, что воздух должен подниматься, а когда вы его подняли, то одинаково убедительно принимаетесь доказывать, что ему положено падать». Нет, это не вечное движение. Когда положение неустойчиво и теплый воздух вынужден подниматься, тогда, естественно, что-то должно его заместить. Не менее верно и то, что спускающийся холодный воздух был бы в состоянии энергетически заместить теплый воздух. Но поймите, что то, что спустилось вниз,— это уже не тот воздух, который был вначале. Давние рассуткдения, в которых шла речь об изолированном облаке, сперва подымавшемся, а затем спускающемся, содержали в себе какую-то загадку. Нул«ен был дождь, чтобы обеспечить спуск, а этот способ был мало правдоподобен. Но как только вы поняли, что к восходнщему потоку воздуха примешан воздух, бывший вначале на той высоте, откуда началась тяга, термодинамические соображения покажут вам, что падение холодного воздуха, первоначально плававшего на больших »84 Ю ° футы м «р с з Дреиф в этой области слабее, чем 1О фут/сок 350РР -26 С 5ООРО ,х,„ххЬЬзвгввхввяхввх -5 С х х х х к х Ф Ф в в в в Ф в х х х х ОС 15 000 х х'» х х х х х в з в в "° +5 С 10000 ;-1"в С 5000 +25'С вемл 20000 Х Х Х Х Х Х ° ° Э з ~я'/ ° ~ ~'~'~яви, х з з н Н1р Паве «ность в Лезкий ив~ее ности зйдонвдь ь и я и Ог Ю 1сривонтальньзй масштаб иь и миль О 1580 Масштаб вектора дрейфа ~ з з фут1сек аз и г.
В.10. Поздняя бзаза грозовой ячгинян ° Д. а. х Снес Кристалльз льда высотах, тоже возможно. Это и объясняет картину активной грозы, представленную схематически на фиг. 9.9. Когда воздух доходит донизу, из нижней части тучи начинает идти дождь. Вдобавок, достигнув земной поверхности, относительно холодный воздух растекается во все стороны. Значит, перед самой грозой начинается холодный ветер, предупреждающий нас о предстоящей буре. Во время самой бури наблюдаются резкие и внезапные порывы ветра, облака клубятся и т.
д. Но в основном сперва сущестзуот ток, текущий вверх, потом противоток вниз — картина, вообще говоря, очень сложная. В то же мгновение, когда начинаются осадки, возникает и протпвоток. И в тот же самый момент обнаруживаются электрические явления.
Но прежде чем описать молнию, мы закончим рассказом о том, что творится в грозовой ячейке через полчаса пли, скажем, через час. Она выглядит так, как показано на фнг. 9.10. Тяга вверх прекратялась — больше нет теплого воздуха, и поддерживать ее нечем. Какое-то время еще продолжаются осадки, последние капельки воды падают на землю, все становится спокойнее, хотя часть льдинок еще осталась в воздухе.
На больших высотах ветры дуют в разные стороны, поэтому верх грозовой тучи обычно начинает принимать вид наковальни. Ячейке пришел конец. ф т. л1ехаыызм распределения зарядов Теперь мы хотим обратиться к обсуждению самой важной для нас стороны дела — к возникновению электрических зарядов. Разного рода эксперименты, включая полеты сквозь грозовой фронт (пилоты, соворшающие их — истинные храбрецы!), выяснили, что распределение зарядов в грозовой ячейке напоминаек изображенное на фиг.
9,11. Верхушка грозы заряягена положительно, а низ — отрицательно, за исключением небольшого участка полол~ительных зарядов в нижней части тучи, причинившего немало забот исследователям. Никто не знает, почему он там появляется и насколько он важен, то ли это всего лишь вторичный эффект положительного дождя, то ли существенная часть всего механизма. Если б этого не было, все выглядело бы значительно проще.
Во всяком случае преимущественно отрицательный заряд внизу и положительный наверху — зто как раз такое расположение полюсов батареи, которое может зарядить Земл|о отрицательно. Положительные заряды находятся в 6 — 7 км над Землей, где температура достигает — 20' С, а отрицательные — на высоте 3 — 4 кл, и температура там от 0 до — 10" С. Заряда нин ней части тучи хватает на то, чтобы создать между ней и землей разность потенциалов в 20, 30 и даже 100 млн.
в— несравненно больше, чем те 0,4 млн. в перепада, которые Ф и з, Э,11. 1ааснределение олеятричества в созревжей ерозовой. ячейке. З вЂ” центр гюложителини ржрядое;  — центр отрицагнслания гарягтс; з — области отрицаю лянож Вождл; в — неболюиой центр но ожил елююга яорлда е об ости силяггого Важоя. бывают между в~ебом» и Землей пр~ ясном небе. Эти огромные напряжения пробивают воздух и создавот гигантский грозовой разряд. При пробое отрицательнып заряд с тимкней части тучи переносится зигзагами молнии на Землю.
А топерь мы э нескольких словах опишем строение молнии. Прежде всего имеется настолько оольшой перепад потенциалов, что воздух пробивается. Молния бьет между одной частью тучи н другой, или между одной тучей и другой, или между тучей и Землей. С каждой независимой вспышкой — с каждым ударом молнии, который вы вплпте, с небес низвергается 20 — 30 кулон электричества. Интересно, сколько же времени тратит туча ца восстановление этих 20 — 30 кулон, уходящих с молнией? Зто можно выяснить, измеряя вдали от тучи электрическое поле, вызываемое дипольным моментом тучи. Прн таких измерениях вы видите внезапный спад поля при ударе молнии, а затем экспоненциальный возврат к первоначальному его значению с характерной временнбй постоянной порядка 5 сск, немного меняющейся от случая к случаю.
Значит, грозе достаточно 5 сея, чтобы восстановить весь свой заряд. Но это, конечно, не означает, что очередная молния ударит точно через 5 сек, потому что $87 еп и е. 9.12. Струя води е злеятри- | овевал яоеелц еоздоннил вблизи насадки шланеа. к водопроводу меняется и геометрия туч и другие факторы. Вспышки следуют друг за другом нерегулярно, но существенно то, что возвращение к начальным условиям всегда происходит примерно за 5 свк.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
